BAB III PERANCANGAN, PEMBUATAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SIRKULAR UNTUK APLIKASI WIRELESS LOCAL AREA NETWORK

36

PATCH SIRKULAR UNTUK APLIKASI WIRELESS LOCAL AREA NETWORK

3.1 Umum

Pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah antena mikrostrip patch sirkular yang dapat digunakan pada sistem wireless LAN baik sebagai penguat antena pada Access Point (AP) ataupun pada sisi terminal (laptop, PC dan PDA). Perancangan antena ini dilakukan dengan menggunakan simulator antena Ansoft HFSS v11.0.

Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat dan selanjutnya menghitung dimensi patch antena serta lebar saluran pencatunya.

Hasil dari perhtiungan tersebut kemudian disimulasikan dengan simulator Ansoft HFSS v11.0.

Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan

beberapa karakterisasi berupa perubahan panjang saluran pencatu dan

perubahan dimensi patch. Dengan melakukan beberapa simulasi selanjutnya

diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal tersebut. Dengan simulator

Ansoft HFSS v11.0, dapat diperoleh parameter-parameter antena yang

dihasilkan berupa nilai VSWR, Gain antena dan pola radiasinya.

3.2 Perencanaan Antena Mikrostrip Patch Sirkular

Tahapan perancangan antena pertama kali adalah menentukan karakteristik antenna yang diinginkan, dimana telah dijelaskan pada bab sebelumnya.

Karakteristik antena yang dimaksud yaitu frekuensi kerja, return loss, VSWR, dan gain. Pada penelitian ini diharapkan dapat memberikan karakteristik hasil yang diinginkan yaitu.

1. Frekuensi Kerja : 2.4 GHz (2.4-2.5 GHz) 2. Impedansi terminal : 50 Ω koaksial konektor SMA 3. VSWR : ≤ 2

4. Gain : Optimum pada single patch

Setiap substrat memiliki parameter yang berbeda – beda. Oleh karena itu, perlu ditentukan terlebih dahulu jenis substrat yang akan digunakan sebagai antena mikrostrip. Jenis substrat yang digunakan adalah FR4 Epoxy dengan parameter sebagai berikut.

Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat Yang Digunakan

Jenis Substrat FR4 epoxy

Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4,4 Dielektrik Loss Tangent (tan δ) 0.02 Ketebalan substrat (h) 1.6 mm

3.3 Perancangan Dimensi Patch Antena

Antena yang akan dirancang pada tugas akhir ini adalah antena mikrostrip patch sirkular dengan frekuensi kerja 2.45 GHz (2.4 – 2.5 GHz).

Untuk perancangan awal digunakan perhitungan pada antena mikrostrip

dengan patch berbentuk lingkaran seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.

= ^.

√

Karena dan hampr sama, sehingga dapat dibuat suatu variabel baru misalkan .secara matematis dapat ditulis menjadi :

= ^.

√

= ^.

√

= _. ^. _{√ .} = 1.746

Setelah diperoleh nilai k kemudian dimasukan kedalam rumus berikut dan diperoleh hasil :

=

+ + .

= .

+ . , , . , ,

. , + .

= ^. _. = 1.47 cm = 14.7 mm

3.4 Perancangan Saluran Pencatu 50 Ω

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati impedansi masukan sebesar 50 Ω.

Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar

dari saluran pencatu dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu

dengan menggunakan perangkat lunak Em-Talk. Untuk nilai = 50 Ω,

εr = 4.4, dan h = 1.6 mm, maka didapat lebar pencatu 3 mm.

Dengan demikian saluran pencatu mikrostrip 50 Ω didapat 3 mm, tahapan berikutnya adalah mencari panjang saluran pencatu mikrostrip 50 Ω. Sebelumnya periksa terlebih dahulu perbandingan lebar saluran pencatu mikrostrip 50 Ω terhadap tebal substrat (W/h).

= . = . >

Karena W/h >1, maka nilai konstanta dielektrik efektif ( ) menggunakan persamaan berikut.

= +

+ −

+ /

= . +

+ . −

⎣ ⎢

⎢ ⎡

+ (. )⎦ ⎥ ⎥ ⎤

= . + .

√ .

= . + . .

= . + .

= .

Dari persamaan diatas maka diperoleh :

=

= = . /

. = . =

= √ . = .

Maka panjang saluran pencatu mikrostrip 50 Ω adalah.

=

= .

= .

3.5 Dimensi Groundplane

Untuk dimensi minimum groundplane yang dibutuhkan oleh antena mikrostrip diberikan melalui persamaan berikut.

Ag = 6t + a t = ketebalan substat

a = panjang saluran pencatu ditambah diameter dimensi patch

Dengan asumsi awal tebal substrat t = 1.6 mm, panjang saluran pencatu 34.205 mm dan diameter patch 29.4 mm, akan diperoleh dimensi minimum groundplane Ag adalah sebesar 73.205 mm. Dalam penelitian ini untuk memudahkan pada saat melakukan kalibrasi antena dimensi groundplane yang digunakan 100 x 100 mm.

3.6 Perancangan Model Antena Mikrostrip Patch Sirkular Pada HFSS

Dalam tugas akhir ini, perancangan antena mikrostrip patch

sirkular dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu dimulai dengan

perancangan patch, perancangan saluran pencatu (feeder), perancangan

groundplane, perancangan substrat atas dan bawah, dan perancangan port

saluran pencatu. Adapun langkah - langkah untuk membuat model antena ini

adalah.

a. Perancangan substrat

Adapun langkah-langkah untuk merancang pacth antena adalah :

 Pilih item Draw lalu pilih box

 Masukkan nilai koordinatnya (besar dan arahnya)

 Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan substrat

 Klik material dan kemudian ganti materialnya menjadi FR4 epoxy

 Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan kemudian atur transparansi warnanya

b. Perancangan patch

Langkah-langkah untuk merancang pacth antena adalah :

 Pilih item menu Draw lalu pilih cylinder

 Masukkan nilai koordinatnya (arah dan besarnya), dalam hal ini kita harus benar-benar teliti dalam memasukkan nilai koordinat ini

 Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan patch

 Klik material, kemudian ganti materialnya. Untuk tugas akhirini material patch-nya adalah cooper.

 Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan kemudian atur transparansi warnanya.

c. Perancangan saluran pencatu

 Pilih item Draw lalu pilih box

 Masukkan nilai koordinatnya(arah dan besarnya)

 Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan feeder

 Klik material kemudian ganti materialnya menjadi cooper

 Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan kemudian atur transparansi warnanya

d. Perancangan Groundplane

 Pilih item Draw lalu pilih box

 Masukkan nilai koordinatnya (arah dan besarnya)

 Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan ground

 Klik material kemudian ganti materialnya menjadi cooper

 Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan kemudian atur transparansi warnanya

e. Perancangan port saluran pencatu

 Pilih item Draw lalu pilih rectangle

 Tetapkan porosnya, yang menjadi poros adalah sumbu z

 Masukkan nilai koordinatnya (besar dan arahnya)

 Klik attribute tab dan kemudian ganti buat orientasinya menjadi global

 Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan kemudian atur transparansi warnanya

f. Perancangan boundary

 Pilih item Draw lalu pilih box

 Masukkan nilai koordinatnya (besar dan arahnya)

 Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan boundary

 Klik material dan ke (udara)

 Kemudian kemudian Setelah semua langkah model antena mikrostrip

Gambar 3.1

Setelah model menjalankan simulasinya.

adalah klik menu HFSS

solution setup, maka akan muncul nya, ikuti saja yang ada

aterial dan kemudian ganti materialnya menjadi (udara)

udian pilih warnanya sesuai keinginan dan kemudian atur transparansi warnanya

langkah tersebut dilakukan maka akan dihasilkan krostrip patch sirkular seperti yang tampak pada Gambar 3.1

3.1 Model Antena Mikrostrip Patch Sirkular

antena selesai dibuat langkah selanjutnya

ulasinya. Untuk menjalankan simulasi ini langkah selanjutnya enu HFSS kemudian pilih analysis setup, lalu p

akan muncul solution setup window. Lalu isi na ada di dalam tab (misalnya setup1, setup

enjadi Air

dan

dihasilkan bar 3.1.

selanjutnya adalah

selanjutnya

pilih add

nama setup-

setup2, dan

seterusnya), kemudian isi nilai dari solution frequency menjadi 2,4 GHz.

Nilai solution frequency ini sama untuk tiap setup. Lalu isi nilai maximum number of phases menjadi 15 atau 20 sesuai kebutuhan. Kemudian isi nilai maximum delta S sebesar 0,02 lalu pilih OK.

Selanjutnya klik menu HFSS kemudian pilih analysis setup lalu pilih add sweep. Pilih solution setup-nya setup1 dan klik tombol OK. Kemudian edit window sweep-nya, atur sweep type menjadi fast dan atur pula requency setup type menjadi linear count. Kemudian atur frekuensi start sebesar 1 GHz, frekuensi stop 4 GHz dan buat nilai count menjadi 100. Lalu klik tombol OK.

Setelah itu langkah selanjutnya adalah klik menu HFSS lalu pilih validation check. Tujuan dari validation check ini adalah untuk memeriksa apakah model yang kita buat sudah layak dan benar untuk dijalankan. Jika model yang kita buat telah layak dan benar untuk dijalankan maka akan muncul tanda check list berwarna hijau. Tetapi jika belum maka akan muncul tanda silang berwarna merah. Hal ini menandakan bahwa ada error pada model yang kita buat. Untuk melihat pesan error gunakan message manager yang ada di sudut kanan bawah. Ada beberapa hal yang diperiksa pada validation check ini, yaitu :

 3D model

 Boundaries and Excitation

 Mesh Operation

 Analysis Setup

 Optimetrics

 Radiation

Jika ada salah satu dari keenam hal ini yang tidak terpenuhi (dalam hal ini ada error) maka proses simulasi tidak dapat dilanjutkan. Setelah melewati validation check, langkah selanjutnya adalah menganalisis model. Untuk menganalisis model ini caranya adalah dengan menekan menu HFSS lalu pilih analyze. Proses menganalisis ini berlangsung sekitar 60 menit atau lebih.

Setelah proses analisis selesai maka dapat ditampilkan grafik VSWR, pola radiasi, dan gain nya.

Untuk menampilkan grafik VSWR, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi modal S parameter dan atur display set menjadi rectangular plot, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window traces ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi VSWR, atur juga quantity menjadi VSWR(lumport1), kemudian tekan new report lalu tekan done. Maka akan muncul grafik VSWR.

Untuk menampilkan pola radiasi, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi far field dan atur display set menjadi 3D polar plot, lalu tekan OK.

Maka akan muncul window traces. Pada window trace ini atur solution

menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi

directivity, atur juga quantity menjadi DhirTotal, kemudian tekan new report

lalu tekan done. Maka akan muncul grafik pola radiasi.

Untuk menampilkan gain, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi far field dan atur display set menjadi data table, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window trace ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi gain, atur juga quantity menjadi GainTotal, kemudian tekan new report lalu tekan done. Maka akan muncul tabel gain.

3.7 Simulasi Untuk Mendapatkan Hasil Yang Ideal Pada HFSS

Setelah nilai – nilai yang didapat dalam perhitungan dimasukan kedalam simulasi akan tampil seperti gambar 3.3. Ternyata setelah dilakukan report hasil yang didapat tidak memenuhi dari tujuan yang diinginkan, maka dilakukan beberapa perubahan dari ukuran semula antena yang meliputi perubahan dimensi patch dan perubahan panjang saluran pencatu atau feed line. Disini kita akan merubah - rubah nilai dimensi patch antena sampai mendapatkan nilai yang yang dianggap ideal, dan juga melakukan perubahan panjang feed line sampai mendapatkan hasil sesuai dengan yang kita inginkan.

Karena simulasi HFSS ini bersifat ideal maka akan meminimalisir perubahan atau pergeseran nilai parameter ketika di implementasikan menjadi prototype antena mikrostrip. Adapun flowcart dari simulasi HFSS ini dapat dilihat dari gambar 3.1 berikut.

TIDAK

YA

TIDAK

YA

Gambar 3.2 Flowcart Perancangan Antena Patch Sirkular Menentukan Model Antena

Ubah nilai Panjang Feed line

Analysis setup Validation Check

Analyze

Create report (plot VSWR)

Apakah sudah didapat parameter yang ideal

Ubah nilai dimensi patch Analysis setup Validation check

analyse Create report (VSWR)

Apakah sudah didapat parameter yang ideal

selesai

3.8 Model Perancangan Antena

Setelah dilakukan simulasi dengan merubah nilai yang ditentukan sebelumnya didapat ukuran dimensi antena yang sesuai dengan tujuan seperti terlihat pada gambar 3.3 berikut.

100 mm

100 mm

24.8 mm

Gambar 3.3 Antena Mikrostrip Single Patch Sirkular Dimensi Substrat 100x100

Gambar diatas merupakan ukuran antena mikrostrip hasil dari simulasi menggunakan HFSS dengan hasil report yang sesuai dengan keinginan. Setelah dilakukan beberapa kali perubahan ternyata nilai dimensi patch tetap pada ukuran semula yaitu 14.7 mm karena pada nilai ini antena memiliki nilai yang paling ideal, sedangkan panjang saluran pencatu berubah menjadi 24.8 mm. Dengan ukuran dimensi antena seperti diatas sudah terjadi ke matchingan antara patch antena dengan saluran pencatu sehingga menghasilkan report yang sesuai seperti apa yang diinginkan.

3mm 14,7 mm

3.9 Hasil Simulasi Rancangan

Parameter – parameter yang disimulasikan pada antenna mikrostrip patch sirkular ini yaitu return loss

3.9.1 Return loss Grafik renturn

sirkular diperlihatkan pada gambar 3.4.

Gambar 3.4 Grafik

Dari grafik simulasi

frekuensi kerja yang didapatkan telah memenuhi frekuensi kerja yang diinginkan.

Hal ini dapat dilihat dari frekuensi yang mempunyai

-10 dB yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz yang merupakan frekuensi operasi WLAN. Pada gambar dapat d

pada frekuensi kerja 2.4 GHz.

Rancangan Antena Patch Sirkular

parameter yang disimulasikan pada antenna mikrostrip patch turn loss, VSWR, gain dan pola radiasi.

loss dan frekuensi resonansi antena mikrostrip sirkular diperlihatkan pada gambar 3.4.

Grafik Return loss Pada Antena Mikrostrip Patch Sirkular

Dari grafik simulasi return loss pada Gambar 3.4 frekuensi resonansi atau kerja yang didapatkan telah memenuhi frekuensi kerja yang diinginkan.

Hal ini dapat dilihat dari frekuensi yang mempunyai return loss lebih kecil dari 10 dB yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz yang merupakan frekuensi operasi WLAN. Pada gambar dapat dilihat renturn loss -26,444dB, bandwidth

pada frekuensi kerja 2.4 GHz.

parameter yang disimulasikan pada antenna mikrostrip patch

a mikrostrip patch

irkular

pada Gambar 3.4 frekuensi resonansi atau kerja yang didapatkan telah memenuhi frekuensi kerja yang diinginkan.

lebih kecil dari 10 dB yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz yang merupakan frekuensi operasi

bandwidth 60 Mhz,

3.9.2 Voltage Standing Wave Ratio

Dimensi patch

ketika report yang dihasilkan pada VSWR adalah kurang dari atau sama Berikut adalah plot VSWR antena mikrostrip

Gambar 3.5

Gambar 3.5 Grafik VSWR Pada A

Nilai VSWR yang digunakan dalam penelitian ini adalah lebih kecil atau sama dengan 2 (VSWR

nilai VSWR sebesar 1,10

nilai yang diinginkan dengan hasil demikian anten Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR)

patch antena dan saluran pencatu dapat dikatakan yang dihasilkan pada VSWR adalah kurang dari atau sama

VSWR antena mikrostrip patch sirkular dapat dilihat pada

Grafik VSWR Pada Antena Mikrostrip Patch Sirkular

Nilai VSWR yang digunakan dalam penelitian ini adalah lebih kecil atau dengan 2 (VSWR ≤ 2). Dalam plot grafik simulasi kita telah mendapatkan 1,10 pada frekuensi kerja 2.4 GHz sehingga telah memenuhi

dengan hasil demikian antena dapat dikatakan matching antena dan saluran pencatu dapat dikatakan matching yang dihasilkan pada VSWR adalah kurang dari atau sama dengan 2.

sirkular dapat dilihat pada

irkular

Nilai VSWR yang digunakan dalam penelitian ini adalah lebih kecil atau

≤ 2). Dalam plot grafik simulasi kita telah mendapatkan pada frekuensi kerja 2.4 GHz sehingga telah memenuhi

matching.

3.9.3 Gain

Dari simulasi HFSS Ans beberapa kali perubahan ukuran

seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Grafik

Nilai Gain yang diinginkan antena mikrostrip single patch

grafik simulasi kita mendapatkan nilai kerja 2.4 GHz sehingga

Kecilnya gain yang didapat ini

kecendrungan antena mikrostrip memiliki metode untuk meningkatkan

HFSS Ansoft V.11 yang telah dilakukan setelah melakukan beberapa kali perubahan ukuran patch dan panjang feed line maka didapat seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.6.

Grafik Gain Pada Antena Mikrostrip Patch Sirkular

yang diinginkan dalam penelitian ini adalah gain optimum single patch yang menggunakan patch sirkular. Dalam plot grafik simulasi kita mendapatkan nilai gain sebesar 2.732 dBi pada frekuensi kerja 2.4 GHz sehingga dapat dikatakan optimum untuk antena single patch

yang didapat ini dapat disebabkan beberapa faktor kecendrungan antena mikrostrip memiliki gain yang rendah tapi ada bebera

etode untuk meningkatkan gain.

setelah melakukan maka didapat gain

irkular

optimum pada . Dalam plot pada frekuensi single patch.

dapat disebabkan beberapa faktor karena

tapi ada beberapa

3.9.4 Pola Radiasi

Pola radiai yang diinginkan adalah

kalibrasi dalam melakukan simulasi kita telah mendapatkan pola radiasi yang diinginkan yaitu directional.

berupa gambar tiga dimensi

Gambar 3.7 Grafik Pola Radiasi Pada Antena M

Dari gambar diatas dapat dilihat gambar pola radiasi telah memenuhi syarat parameter

Pola radiai yang diinginkan adalah directional setelah melakukan beberapa kalibrasi dalam melakukan simulasi kita telah mendapatkan pola radiasi yang

directional. Hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 3.7 berupa gambar tiga dimensi dari pola radiasi antena.

k Pola Radiasi Pada Antena Mikrostrip Patch Sirkular

Dari gambar diatas dapat dilihat gambar pola radiasi directional parameter yang diinginkan.

setelah melakukan beberapa kalibrasi dalam melakukan simulasi kita telah mendapatkan pola radiasi yang Gambar 3.7 yang

.

irkular

directional, sehingga